Hoe het coronavirus onze darm binnendringt
Het zijn uitzonderlijke tijden, ook in de wetenschap. Waar het publiceren van een artikel in toptijdschrift Science normaliter minimaal een jaar werk is, kreeg een groep onderzoekers uit Utrecht, Rotterdam en Maastricht het in zes weken voor elkaar. Zeven medewerkers uit het lab van prof. dr. Peter Peters werkten er fulltime aan, soms tot diep in de nacht. De groep kon zo visualiseren, met behulp van geavanceerde microscopie, hoe het coronavirus aangrijpt op dunne darmcellen, waarna het zich in hoog tempo vermeerdert. Het is de wetenschappelijke onderbouwing van darmklachten door het virus en onderstreept onder meer het belang van een goede handhygiëne na toiletbezoek of het omgaan met incontinentiemateriaal. Peter Peters vertelt over het onderzoek, het virus en het vaccin.
De expertise van hoogleraar Nanobiologie Peter Peters ligt in het ontrafelen van celstructuren tot op het allerkleinste niveau. Met behulp van ultrasterke microscopen bestudeert hij normaliter bijvoorbeeld de tuberkelbacterie, jaarlijks verantwoordelijk voor anderhalf miljoen sterfgevallen aan tuberculose. Net als het coronavirus heeft de bacterie ‘spikes’ die naar buiten steken. “Deze complexe naaldjes bestaan bij de tuberkelbacterie uit zo’n vijftien verschillende eiwitten.” Eigenlijk moet je het uiteinde van zo’n naaldje zien als een sleutel. Het virus kan alleen een menselijke cel binnendringen als er een slot gevonden wordt waarop die sleutel past. Longcellen hebben bijvoorbeeld dat slot, in wetenschappelijke termen ACE-2-receptor genoemd. De groep waarmee Peters nu samenwerkte voor dit onderzoek, toonde aan dat die receptor, ook aanwezig in darmcellen, in staat is om het virus op te nemen. “Het virus maakt in acht uur honderden nieuwe virussen voor nieuwe infectie van naburige darmcellen en de darmcel zelf legt het loodje.” Dat was een publicatie in toptijdschrift Science waard.
Mini-organen in de hoofdrol
Voor het onderzoek werd gebruik gemaakt van ‘mini-organen’, ook wel ‘organoïden’ genoemd. Uit een stamcel kan in een laboratorium tegenwoordig een minuscuul orgaan gekweekt worden dat de eigenschappen van een echt orgaan heeft. Zo kan bijvoorbeeld medicatie getest worden op een stukje darm, zonder dat een mens daar last van hoeft te hebben. Of je brengt het coronavirus in contact met een mini-darmorgaan en kijkt wat er gebeurt. Het lab van prof. dr. Hans Clevers van het Utrechtse Hubrecht Institute zorgde onder meer voor de mini-organen voor deze studie, het lab van dr. Bart Haagmans van het Erasmus MC Universitair Medisch Centrum Rotterdam bracht deze in contact met het coronavirus en vervolgens kwamen de in sterk water gefixeerde preparaten van de mini-organen naar Maastricht, waar een hightech elektronenmicroscoop staat. “Door het fixeren in sterk water wordt het virus inactief gemaakt en kunnen we er veilig mee werken”, vertelt Peters.
Prof. dr. Peter Peters is directeur en groepsleider aan het Maastricht Multimodal Molecular Imaging Institute (M4i) en hoogleraar Nanobiologie aan de Universiteit Maastricht. In een recent Studium Generale interview legt hij de Science-publicatie met behulp van beeldmateriaal uit.
Dit artikel is onderdeel van 'We zijn open', een verhalenserie over de vele activiteiten van de UM gemeenschap tijdens de corona crisis.
Een ongekende snel proces
In zijn lab in Maastricht draaide de elektronenmicroscoop dag en nacht, aangestuurd door Kevin Knoops. De 100.000 keer vergrootte opnames van hoe het virus de darmcellen entert, kon de hoogleraar op zijn laptop in zijn Maastrichtse appartement bestuderen. Collega Raimond Ravelli ontwikkelde een manier om alle beelden van de preparaten aan elkaar te ‘naaien’, waardoor er als het ware een grote landkaart ontstond van een mini-orgaan, vergelijkbaar met Google maps. En terwijl de data binnenstroomden, werd de Science-paper in de stijgers gezet. “Dat heb ik nog nooit meegemaakt”, blikt Peters terug. Ook de snelheid van de reviewers was ongekend, waarop binnen een paar dagen een tweede versie werd gemaakt, die werd geaccepteerd voor publicatie. De gouden medaille op wetenschappelijk gebied was binnen. Maar belangrijker: de groep toonde aan hoe gevoelig onze darmcellen zijn voor het coronavirus.
Waarom handen wassen met zeep essentieel is
Daaruit volgt een hypothese dat de heftige immuunreactie die in de darmen in gang wordt gezet als het virus zich aandient, mogelijk zo heftig is dat het hele immuunsysteem ‘op hol slaat’. “Als je in de longen zo’n abnormale immuunreactie ziet, komen er een heleboel witte bloedcellen in de longen, waardoor er niet genoeg ruimte meer is om gassen uit te wisselen en dus zuurstof op te nemen.” Deze en meer vervolg-onderzoeksvragen moeten opgepakt worden, en worden waarschijnlijk her en der in de wereld al opgepakt, mede naar aanleiding van de Science-publicatie. Wat het onderzoek op dit moment al oplevert is, naast de verklaring voor de darmklachten van veel COVID-19-patiënten, meer bewustzijn voor de besmettelijkheid van ontlasting. “Er zijn nog geen intacte virusdeeltjes in ontlasting gevonden, maar wel het erfelijk materiaal ervan, dat in het virus zit. Het kan haast niet anders dan dat ontlasting van COVID-19-patiënten nog besmettelijk is. Dus dat vraagt om grote alertheid na ieder toiletbezoek, maar ook bij medewerkers in verpleeghuizen die incontinentiemateriaal verwisselen. Goede handhygiëne is essentieel.” Omdat het virus een vetlaagje heeft dat het bij elkaar houdt, is wassen met zeep zo belangrijk, benadrukt hij. “Zeep maakt vet kapot, waardoor het virus uit elkaar valt en onschadelijk wordt.” Tot slot levert de studie ook een ‘proof of principle’; ze laat zien hoe honderdduizenden nieuwe stofjes en alle huidige medicijnen met mini-organen getest kunnen worden, in de zoektocht naar een behandeling van COVID-19.
Kunstenaar en wetenschapper David S. Goodsell maakte een waarheidsgetrouw beeld van het coronavirus (CSB Protein Data Bank; doi: 10.2210/rcsb_pdb/goodsell-gallery-019)
De sleutel tot het vaccin
En dan het vaccin, waar de hele wereld inmiddels naar smacht, zodat ‘het gewone leven’ weer opgepakt kan worden, ouderen weer geknuffeld kunnen worden en meer. Voor zo’n vaccin is het essentieel dat je precies weet hoe het virus in elkaar steekt. Chinese onderzoekers publiceerden al 3D-animaties van de opbouw van de ‘spikes’ van het coronavirus. “Daarop zien we welke eiwitten op de uiteindes van die spikes zitten, maar ook dat een deel van de spike besuikerd is. Dat doet het virus om zichzelf te beschermen tegen het menselijke immuunsysteem. Op besuikerde eiwitten kunnen antistoffen, bijvoorbeeld uit een vaccin, niet aangrijpen. Dus je wilt de niet-besuikerde elementen van de spike bereiken met je vaccin; daartegen gaat het lichaam antistoffen aanmaken, waarmee je feitelijk de sleutel van het coronavirus onschadelijk maakt. Hij kan dan geen humane cellen meer binnendringen.”
Of toch eerder een medicijnencocktail?
Dat klinkt al niet eenvoudig en Peters kan ons uit de droom helpen: dat is het ook niet. Hoewel er honderden groepen wetenschappers wereldwijd dag en nacht aan werken, acht hij de kans heel erg klein dat er over een jaar een vaccin tegen het coronavirus is. “We zoeken al dertig jaar naar een vaccin tegen aids, al honderd jaar naar een vaccin voor tuberculose en malaria.” De hoogleraar denkt eerder dat er een cocktail van verschillende medicijnen gevonden gaat worden voor de behandeling van COVID-19. “Net als bij het aidsvirus, waar al jarenlang heel succesvol met een combinatie van medicijnen de klachten worden onderdrukt. Die cocktail grijpt in op drie punten van het virus. Ook al is er een mutatie op één plek, dan heb je nog steeds twee andere medicijnen die werken. Volgens de principes van Darwin is het onmogelijk dat ze alle drie tegelijk muteren. Daarom werkt het zo goed.” En over muteren gesproken: de verwachting is dat ook het coronavirus gaat muteren in de toekomst en er dus, net als bij de griepspuit, jaarlijks een nieuwe variant van het vaccin nodig gaat zijn om mensen optimaal te beschermen.
Lees ook het persbericht van 1 mei 2020 over deze Science-publicatie.
Nog een UM-bijdrage
Om virussen (of onderdelen ervan) onder elektronenmicroscopen te kunnen bestuderen, moeten ze op een speciale manier worden ingevroren, in vloeibaar ethaan. De universitaire scale-up CryoSol-World op de Brightlands Maastricht Health Campus, mede door Peters opgezet, ontwikkelt de Vitrojet en is de opvolger van de Vitrobot. Dit apparaat ontwikkeld door Peter Frederik en zijn collega’s wordt momenteel wereldwijd gebruikt in het onderzoek naar het coronavirus. “Het duikt op in tal van goede publicaties”, aldus een trotse Peters. “Geweldig om te zien dat de UM op deze manier ook een bijdrage kan leveren aan het onderzoek naar het coronavirus en de neutraliserende antistoffen die het virus kunnen remmen”, aldus Peter Peters.
Lees ook
-
Studenten van de Universiteit Maastricht hebben de Nederlandse finale van de studentencompetitie Ecotrophelia gewonnen. Met een drinkazijn op basis van appelciderazijn, fruit en kruiden wonnen zij de eerste prijs
-
We ontdekken elke dag nieuwe dingen over medewerkers en studenten hier op onze faculteit. Dat Lieve wil dat gezondheidstips evidence-based zijn. Dat Alisa van Moskou naar Maastricht is verhuisd om eerstejaarsstudent Regenerative Medicine and Technology te worden. En dat Sofie haar master Health and...
-
Alisa verhuisde op 17-jarige leeftijd van Moskou naar Nederland om eerstejaars bachelorstudent Regenerative Medicine and Technology (RMT) te worden. De avontuurlijke geest van Alisa drijft haar steeds naar gloednieuwe ervaringen, zoals de RMT bacheloropleiding en haar hobby Tribal Fusion dansen.
